碳化硅器件在直流充电桩中的应用研究

传统汽车行业的智能化、电动化趋势目前已经是为人们所不容置疑的共识，由此必将带来周边行业（如充电桩等）的爆发式增长。同时，碳化硅功率器件作为第三代半导体技术，因其高耐压，高开关频率和高耐温等优点在电能转换中得到大规模的应用，也必将是大势所趋。然而，由于各种原因，目前碳化硅在充电桩中的应用还没有大规模的展开，学界对于碳化硅在充电桩中的应用研究和探讨还不够充分。

因此，分析充电桩模块技术发展的挑战和趋势，阐述碳化硅器件的良好性能，并探讨碳化硅器件在充电桩模块系统应用的优势就显得很有必要。

为满足2020年500万辆电动车的充电需求，国家规划建设480万台充电桩，发布了如《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年）》等一系列文件并提供了各种优惠政策，充电桩行业自2015年开始如雨后春笋般发展。截止2017年底和2018年底全国充电桩保有量分别约为45万台和78万台，对应全国新能源汽车的保有量分别约为153万辆和261万辆（源自公安部交通安全微发布）。

伴随着巨大的市场应用前景，充电桩模块也存在着一些技术挑战，如市场竞争激烈导致对系统整体成本下降的要求，恶劣环境下（如高温高湿盐雾灰尘等）长时间工作导致可靠性问题，建设用地紧张导致对充电桩更高的功率密度要求，运营商因成本压力而提出越来越高的整机效率要求等等。面对这些技术挑战，越来越多的充电桩模块工程师开始寻求第三代功率半导体碳化硅解决方案，以实现使用更少的器件满足更大的单机容量要求。

同时，充电桩也有一些新的技术方向，如大功率化（比如30kW及以上）以实现电动车的快速充电，双向充电功能以实现能量的回馈，更高更宽的输出电压范围（比如200V-750V甚至到1000V）以覆盖各种不同新能源车型电池等等，这些新的技术发展方向也给碳化硅半导体提供了巨大的应用机会。

碳化硅和硅材料的特性对比如表1所示，其中更高的带隙和击穿电压对应了碳化硅器件在相同材料厚度下可以做到更高的耐压等级；更高的热导率表明碳化硅器件热阻可以做到更小；更低的理想本征迁移率表明碳化硅器件可以实现更低的Rds.on；电子饱和速度越大决定了其可以实现更高的开关速度。

表1：碳化硅和硅材料性能对比

更高的开关速度意味着让系统可使用简单而容易控制的电路（两电平而非三电平），让系统可使用高开关频率及小型磁元件，在更小的机箱处理相同的功率。以上优势分析都表明，碳化硅功率器件可以极大的提高电力电子能量转换功率密度，效率和可靠性并降低系统成本。在光伏太阳能和UPS领域，正逐步投入使用。

英飞凌是最早接触碳化硅材料的厂家之一，有着15年批量供货碳化硅器件的历史，有着碳化硅二极管，碳化硅MOSFET和碳化硅模块等一系列产品。从碳化硅材料到碳化硅功率半导体的产品化中不可避免的遇到了一个门极氧化层的可靠性问题。门极氧化层由SiO2组成，作用在于提供与漏极源极之间的绝缘，同时门极电压超过Vgs.th时提供反向通道。碳化硅材料高能量带隙引起高的隧道效应电流，最终影响门极氧化层的可靠性。门极SiC层和SiO2层接触面长期工作时存在离子迁移现象，沟道区域中的缺陷密度高，需要加大门极驱动电压或者降低氧化层厚度来解决，但加大门极电压以及降低氧化层厚度又导致可靠性寿命的问题。2015年英飞凌提出了一种垂直沟槽型的结构[1]，在不违反门极氧化层可靠性的条件下，更容易达到性能要求，如图1所示。英飞凌针对碳化硅器件进行一系列HTGS等可靠性实验[2]，表明这种架构的碳化硅器件在+15V/+18V栅极电压和150℃环境下可以达到20年工作寿命，可以很有信心的进行大规模市场化推广。

图1：垂直沟槽 SiC MOSFET

同时，通过门极过电压应力破坏性测试，可以看到英飞凌碳化硅器件具有非常高的鲁棒性。在考虑门极可靠性的同时，英飞凌碳化硅MOSFET还具有下述优势：

1）阈值电压高，避免误触发

2）短路能力

3）dV/dt可控性

这些独有的特性，使得英飞凌碳化硅MOSFET更容易被使用。

图2：门极电压过应力测试

目前业界常见的直流充电桩拓扑电路[5]如图3所示，三相交流380V输入电压经过两路维也纳AC/DC电路并联后，得到800V直流母线电压，然后经过两路全桥LLC DC/DC电路，输出250V到950V（或750V）高压给新能源汽车充电使用。其中维也纳电路AC/DC的开关频率40kHz左右，通常可以使用英飞凌600V的CoolMOS或者650V的TRENCHSTOP™ 5 H5/S5，驱动器可以使用英飞凌的EiceDRIVER™ 1ED/2ED 无磁芯隔离驱动器。由于整流二极管开关状态下的损耗比较大，可以使用英飞凌的1200V CoolSiC™肖特基二极管20A，与之相对应的Si超快恢复整流二极管1200V 40A，同等条件下正向电流压差Vf分别为1.4V和2.8V, 反向恢复能量Qrr分别为202nC和570nC, 从而可以大大地提高维也纳PFC整流电路效率，整体效率可以提升0.5%左右。

图3：直流充电桩拓扑电路

DC/DC全桥LLC部分，由于开关频率可以达到300kHz，器件在软开关下工作，所以效率比较高。原边可以使用英飞凌的CFD7 CoolMOS和EiceDRIVER™ 1ED/2ED驱动器。副边二极管整流损耗比较大，可以使用英飞凌650V或者1200V CoolSiC肖特基二极管来提升效率。

由于SiC MOSFET的高压特性，其在1200V到1700V电压区间具有很大的优势，采用SiC MOSFET的DC/DC电路，可以从原来的三电平优化为两电平LLC（如图4所示）。这样可以大大简化拓扑电路，减少元器件的数量，控制和驱动更加简单。同时，基于SiC MOSFET的高频特性，可以提高LLC电路的开关频率，从而减少磁性器件的尺寸和成本。由于LLC电路是软开关工作模式，损耗集中在开关管的导通损耗上，利用平移数据手册的图表，可以近似得到英飞凌的SiC MOSFET IMW120R045M1和Si MOSFET管，在结温100℃和Ids电流20A的条件下，Rds.on.Max分别为72.1mΩ和78.1mΩ，由于拓扑结构的原因，流过图4中LLC SiC MOSFET的电流有效值是图3中Si MOSFET电流的一半，所以最终导通损耗大大减小。整体而言，改善后的电路可以提升0.3%左右的效率。

图4：推荐使用碳化硅MOSFET的充电桩模块电路 1

同时，PFC整流维也纳拓扑电路，也可以使用1200V的SiC MOSFET，从而变成三相全桥PFC整流（如图5所示）。这样将大大减少功率器件数量，简化控制电路的复杂性。同时,也可以通过提高开关频率来降低电感的感量，尺寸和成本。

图5：推荐使用碳化硅MOSFET的充电桩模块电路 2

每一个开关器件都需要一个驱动，英飞凌不仅可以提供SiC MOSFET，IGBT和CoolMOS等开关器件，还可以提供驱动这些开关器件的驱动IC。图6是英飞凌无磁芯隔离驱动IC的原理图，基于该原理的1EDI/1EDC/2EDI等驱动IC，广泛应用在充电桩，UPS等应用领域，有着隔离，开关频率高，抗干扰能力强，带保护功能等特点，特别适合SiC MOSFET的驱动。

图6：无磁芯隔离驱动IC的原理图

基于英飞凌碳化硅器件，设计了一款30kW的充电桩模块，如图7所示。

图7：基于SiC的30kW充电桩模块

输入电压280-460VAC，输入总谐波失真（Total Harmonic Distortion THD）满载条件下≤5 %，功率因数满载下大于0.99。输出电压范围300V-750V, 最大输出功率30kW。最高效率可达96.5%。

模块电路图如图8所示，PFC维也纳电路采用了英飞凌的1200V肖特基SiC二极管IDWD20G120C5B和650V的IGBT IKW75N65EH5，驱动使用了1EDI40I12AH。全桥LLC部分采用了英飞凌的1200V SiC MOSFET IMW120R045M1和650V SiC肖特基二极管IDH20G65C6做整流，SiC MOSFET驱动使用了1EDI20I12AH。

图8：30kW充电桩模块电路拓扑

整机测试后最高输出电压750 V时的效率曲线如图9所示。

图9：30kW充电桩模块效率曲线

该直流充电桩模块由于采用模拟PFC控制，母线电压不随输出直流电压变化，输出整流使用了650V SiC二极管，导致整机效率不够理想。在下一阶段的工作中，将改进设计，以求充分发挥SiC MOSFET的高效性能。

碳化硅器件作为第三代功率半导体，由于其高耐压，高耐温，开关速度快，损耗低和高可靠性等特点，非常适合充电桩模块的应用工况，必将在充电桩模块中得到快速的应用，碳化硅功率半导体器件的进步，将带来充电桩电能转换的巨大进步和技术突破。英飞凌在碳化硅技术上有十几年的研发准备，将帮助充电桩模块在下一代电力电子的升级换代中提供最佳的系统技术方案。